铁磁性异质结中磁电性能的应变调控研究

发布时间：2020-03-18 20:46

【摘要】：应变调控物质的磁性是指具有铁磁性、顺磁性或反铁磁性的一种材料或多种材料的复合结构生长在特定的基底上,在应变的作用下,材料的磁性发生变化,该技术引起了人们极大的兴趣,具有广阔的应用前景。本论文中,我们首先以一种典型的压电材料[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]0.7-(PbTiO3)0.3(简写为PMN-PT)为媒介,系统地研究了两种异质结中的应变调控磁性行为及其物理机制。进而设计并构筑了一种新型柔性自旋阀结构,并研究了应变对其巨磁电阻效应的调控行为。论文主要研究内容如下:(1)面内电场调控La2/3Sr1/3Mn03(简称为LSMO)薄膜的磁性。采用磁控溅射和脉冲激光沉积法(Pulsed Laser Deposition,简称为PLD)在不同晶向的PMN-PT单晶基底上外延生长出了具有钙钛矿结构的LSMO薄膜。利用电子束曝光、离子束刻蚀等微加工手段将薄膜制备成器件,在LSMO薄膜两侧施加均匀电场,由于PMN-PT具有压电性质,LSMO薄膜受到PMN-PT应变的影响。结果表明,LSMO薄膜的矫顽力、剩余磁化、居里温度、各向异性磁电阻都会随电场的变化而呈现出规律性的变化,其中在PMN-PT(011)晶向上生长的LSMO薄膜的矫顽力变化幅度最大。本实验的研究结果可以用Stoner-Wohlfarth模型(简称为S-W模型)和第一性原理计算结果来解释。该结构还可用于产生电控磁信号。(2)面内电场调控L10-FePt薄膜的垂直磁各向异性。利用磁控溅射在极化的PMN-PT(001)单晶基片上在650℃制备了 L100-FePt薄膜。研究了薄膜厚度、退火温度和不同顶层对薄膜磁性的影响。随后,利用电子束曝光、离子束刻蚀等微加工手段将薄膜制备成器件,发现FePt薄膜的面外矫顽力随着施加在基底上的面内电场发生规律性的变化。当电场从10 kV/cm变化到-10 kV/cm时,面外矫顽力的变化幅度可达21.3%,薄膜磁化方向也随面内电场而改变。此外,利用剩余磁化随电场的改变还可产生一个W形状的磁信号。(3)系统研究了应变对顶钉扎柔性自旋阀的巨磁电阻值(giant magnetoresistance,简称为GMR)的调控。采用磁控溅射法在柔性聚对二甲苯酸乙二脂醇(polyethyleneterephthalate,简称为PET)基片上制备了顶钉扎的Pt/Co90Fe10/Cu/Co90Fe10/IrMn 的自旋阀(spin valve,简称为 SPV)。研究表明,当非磁层Cu的厚度为5.5 nm时,自旋阀的GMR值最大。垂直于易轴的应变可以同时调控自旋阀的自由层Co90Fe10和钉扎层Co90Fe10的磁性,从而导致自旋阀的GMR值在0.64%到2.08%间连续可调,且重复施加500次应变之后,不同弯曲角度下的GMR值均保持稳定。本实验现象可以用Stoner-Wohlfarth模型来解释。此外,该自旋阀异质结也可以用来产生矩形或锯齿形波信号。
【图文】：

２文献综述逡逑２．１铁磁性的几个基本概念逡逑图２－１为铁磁性材料的磁滞回线，其中ＡＢＣ为起始磁化曲线，ＣＤＥＦＧＨＣ逡逑为磁滞回线，磁滞回线有以下参数：Ｈｅ矫顽力，磁性材料完全饱和后再到完逡逑全退磁时所需要外磁场的大小，按照矫顽力的大小，我们可以把铁磁材料分逡逑为硬磁材料和软磁材料，硬磁材料磁滞回线宽阔、面积大，，矫顽力较大，有逡逑良好的信噪比，信号不易受杂散场干扰，一般用于磁记录介质中，软磁材料逡逑磁滞回线狭窄、面积小，矫顽力较小；Ｍｓ为饱和磁化强度，外磁场足够大的逡逑情况下，材料中的所有磁畴取向和外磁场相同，此时时单位体积（质量）的逡逑总磁矩值称为饱和磁化强度。Ｍｓ￥定于磁性材料的磁性原子数、原子磁矩等；逡逑Ｍｒ：剩余磁化强度，当磁性材料达到磁化饱和后，去掉外磁场，在原磁化方逡逑向上保留的磁化强度称为剩余磁化强度。取决于材料晶体构型

当ｃｐ邋＝邋０，邋７Ｔ时，由于沿着磁场的磁化强度为ＭｓＣＯＳ（ｐ，所以，我们求逡逑得的解会被画在以ｍｈｖｓ邋ｈ的坐标系中，ｍｈ＝ｃｏｓ＜ｐ，是磁化强度沿外磁场的分量，逡逑如图２－２所示。实心红色和蓝色曲线分别代表方程３的两个解，即稳定的磁化逡逑方向，在外磁场为－１／２邋ＳｈＳ邋１／２时，两条曲线出现互相重合的部分，这个重逡逑合的区域就是磁滞回线所在的区域。内插图为能量随ｃｐ改变的曲线，红色和逡逑蓝色的星形代表系统能量最小时方程三的解，而垂直虚线与红蓝虚线的交点逡逑代表了系统能量最大值，也就是两个能量最小平衡态之间势垒。逡逑逦逦逦逡逑＾邋／逦Ｉ邋Ｎ逡逑Ｉ逦１逦邋．逦．．逦逦逦逦逦邋逦－ｉ逦逡逑－１逦－０邋５逦０／５逦ｌ７逡逑Ｈ．＇逡逑－１逡逑图２－２邋ｍｈ邋ｖｓ邋ｈ坐标系中，方程２－６的两个解逡逑在一般的磁滞回线测试中，磁场会正向到负向，磁化强度会沿着蓝线行逡逑进，当ｈ＝０．５时，红线开始出现，可是此时ｈ依然大于零，蓝线代表的磁化方逡逑向因为靠近外磁场方向
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB30

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本文编号：2589169